Nowadays, a diesel engine (or compression ignition engine) will be a solution to satisfy strict emission regulation. High thermal efficiency through the high compression ratio and low carbon monoxide (CO) and hydrocarbon (HC) emissions by the lean combustion are important factor to choose diesel engine in our car, but high nitrogen-oxide (NOx) and soot emissions are disadvantages of diesel engine. To reduce NOx and soot in diesel engine, many researchers have studied various advanced combustion technologies including Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) and Premixed Charge Compression Ignition (PCCI). For HCCI and PCCI, homogenous or premixed mixtures are applied before the compression ignition to reduce the fuel-rich regions that are the main source of the NOx and soot emissions by means of the early injection of fuels. For the premixed charge with the low cetane number fuel in CI engine is another way to maintain the advantages of CI engine and reduce NOx and soot, simultaneously. Gasoline compression ignition (GCI), or gasoline direct-injection compression ignition (GDCI), is a concept that utilizing gasoline instead of conventional diesel fuel in a compression ignition (CI) engine for higher efficiency and lower emissions.
In this study, experimental and numerical approaches were used to understand spray and combustion characteristics in a GCI engine. Spray characteristics of gasoline and diesel under the non-evaporating condition were experimentally and numerically compared. KH-RT (Kelvin Helmohltz-Rayleigh Taylor) breakup model showed accurate results compared with the spray tip penetration length and the spray angle. Consequently, spray characteristics of gasoline and diesel under evaporating condition, which simulated the high temperature and high pressure condition of combustion chamber of the real CI engine, were measured and compared. From the results, vapor phase of gasoline was well distributed inside the chamber than that of diesel due to its higher volatility.
In the heavy-duty CI engine, combustion characteristics of diesel and gasoline, including combustion pressure, heat release rate and emissions, were measured and compared under low load of 0.45 MPa IMEP (Indicated Mean Effective Pressure). The premixed combustion of lean air/gasoline mixture was shown to have lower emission levels and comparable IMEP to conventional diesel combustion. Numerically, it was shown that gasoline was well distributed inside the cylinder during longer ignition delay due to its higher volatility and higher resistance to the auto-ignition. As a result, GCI combustion regime is located in the region of the advanced combustion showing lower NOx and soot emissions, based on equivalence ratio versus combustion temperature map.
Meanwhile, the single-injection GCI exhibited seriously higher pressure rise rate of 1.3 MPa/degree, even under the low load condition. To mitigate this pressure rise rate, the double-injection strategy was applied. Apparently, the pressure rise rate was reduced by almost 80 %. In addition, the reduction of NOx levels in half was measured comparing with the single-injection GCI due to the lower combustion temperature. However, the double-injection GCI was operating with nearly 5% coefficient of variation (COV) in IMEP under the most experimental conditions. IMEP and fuel economy were slightly decreased. A significant increase of the CO and soot emissions were also shown, although the emission levels were much less than that from the conventional diesel CI engine. The flame images demonstrated that the gasoline main-injection showed a diffusion flame, which would be a main source of the soot formation, because the pilot-injection give rises to a high temperature and high pressure conditions in which gasoline from the main-injection can be ignited with shorter ignition delays as the conventional diesel combustion.
최근 고효율 및 저배기에 대한 수요에 따라 디젤을 연료로 사용하는 압축 착화 엔진이 하나의 해답으로 떠오르고 있다. 압축 착화 엔진은 고압축비에서 작동하기 때문에 열효율이 높고, 희박 연소가 가능하면서 연소효율이 높기 때문에 일산화탄소 및 미연탄화수소 저감이 가능하나 높은 질소산화물과 입자상물질 배출이 단점으로 지적되고 있다. 이를 해결하고자 많은 연구자들이 예혼합압축착화 또는 부분예혼합압축착화 같은 신연소 기술에 대해 연구를 진행하고 있다. 이런 신연소 기술은 이른 연료 분사를 통한 희박한 혼합기 구축으로 국부적으로 농후한 영역을 회피하여 질소산화물과 입자상물질 생성 영역을 회피는 것이 핵심이다. 최근에는 예혼합 혼합기 형성을 위해 디젤 대신 세탄가가 낮은 가솔린을 적용하여 디젤 엔진의 장점을 살리면서 질소산화물과 입자상물질 저감을 도모하느 기술이 소개가 되고 있고 이를 가솔린 직접 분사식 압축 착화 또는 가솔린 압축 착화라 명한다.
본 연구에서는 저부하 영역의 대형 압축 착화 엔진에서 가솔린의 분무 및 연소를 이해하기 위해 실험적 기법과 수치적 기법을 동시에 적용하였다. 가솔린과 디젤의 분무 특성을 비교하기 위해 비증발 영역에서 분무 이미지를 촬영하여 분무도달 거리와 분무각을 측정하였고 수치적 기법을 통해 계산된 결과와 검증 및 비교를 하였다. 이를 통해 KH-RT 모델이 높은 정확도를 가지고 분무를 예측할 수 있음을 확인하였다. 실제 엔진 내부 환경을 모사한 증발 영역에서는 Mie산란법과 그림자기법을 통해 두 연료의 기상 및 액상 분포를 비교하였고, 가솔린의 우수한 기화특성이 엔진 연소실 내부에서 예혼합 혼합기 형성에 유리할 것이라 판단하였다.
실제 대형 압축 착화 엔진의 0.45 MPa IMEP 출력에 해당하는 실험조건에서 가솔린과 디젤의 압축 착화 특성을 실험적 및 수치적 기법을 이용하여 분석하였다. 실험적으로 가솔린의 희박 예혼합기 연소는 질소산화물과 입자상물질 저감을 보여줌과 동시에 기존 디젤 압축 착화와 동등한 수준의 출력을 유지할 수 있음을 확인하였다. 수치적으로는 실린더 내 가솔린 기상 분포 계산을 통해 가솔린이 같은 기간동안 예혼합 혼합기 형성에 유리함을 정성적으로 확인하였으며. 이는 가솔린의 우수한 기화특성 및 착화저항 특성에 기인한 것이다. 결과적으로 가솔린 압축 착화는 디젤 신연소 기술에서 질소산화물과 입자상물질 생성 영역을 회피하는 영역에서 연소가 진행됨을 확인할 수 있었다.
다만 기존 일단 분사 가솔린 압축 착화는 저부하임에도 불구하고 급격한 예혼합 연소로 인한 크랭크각 당 1.3 MPa의 높은 압력 상승률을 보였다. 이는 지속적인 엔진 운행을 위해서 낮춰야하는 값으로, 급격한 압력 상승률을 저감하기 위해 이단 분사 기술이 적용되었다. 연료를 한 사이클에 두번 나누어 분사함으로써 최대 80%에 가까운 압력 상승률 저감을 확인하였고, 연소 온도 저감을 통해 질소산화물도 저감할 수 있었다. 하지만 이단 분사 가솔린 압축 착화는 IMEP 변동률이 5% 가깝게 증가하는 경향을 보였고, 출력 및 연비가 다소 하락하였다. 일산화탄소와 입자상물질 배출도 증가하였으나 기존 디젤 압축 착화에 비해서는 매우 낮은 수준으로 유지되었다. 엔진 내 가시화 기법을 통해 입자상물질이 증가하게 되는 이유는 첫번째 분사된 연료가 높은 온도와 압력 환경을 만든 상태에서 두번째 분사된 연료의 확산 화염이라는 것을 최종적으로 확인할 수 있었다.
